基于GIS和三维激光扫描技术的北京大学文物管理信息系统研究

唐琳 张通 张剑葳 唐伽拉 陈杰

摘  要  以燕园石刻文物为核心研究对象，采用三维激光扫描、全景摄影、近景摄影测量以及全球卫星定位等数字化技术手段，对这些石刻文物遗存的确切分布位置、现状环境、空间形态和石刻纹理信息进行全面的研究和记录，结合Sketch Up等软件完成相应数据处理和制图工作，建立一个燕园文物数字博物馆。除此之外，利用ArcGIS二次开发平台，设计燕园文物信息管理系统，以实现文物保护的可视化与科学化管理。为进一步促进GIS三维激光扫描技术在文物管理工作中的应用和推广奠定了基础，为文物的数字化工作带来新的契机。

关键词  GIS；三维激光扫描；燕园文物；文物管理信息系统

中图分类号：G264    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2023）10-0008-04

Research on Cultural Relics Management Infor-mation System of Peking University Based on

GIS and 3D Laser Scanning Technology//TANG

Lin1， ZHANG Tong2， ZHANG Jianwei3， TANG Jiala1， CHEN Jie1

Abstract  The research object of this paper is the stone cultural relics of the Yan Garden. This paper records the distribution location， current environ-ment， space and texture information of stone car-vings by using 3D laser scanning， close shot photo-grammetry， panoramic photography and global satellite positioning technology. Combined with Sketch Up and other software to complete the corresponding data processing and mapping work， the Cultural Relics digital Museum of The Yan Garden is established. In addition， using ArcGIS secondary development platform， Cultural Relics Information Management System of The Yan Garden is designed to achieve cultural relics protection visualization and scientific management. It lays a foundation for further promoting the application and promotion of GIS 3D laser scanning technology in the management of cultural relics.

Key words  GIS; 3D laser scanning; cultural relics of The Yan Garden; cultural relics management informa-tion system

Authors address1  Office of Cultural Relics Protection and Manage-   ment， Ministry of Real Estate Management， Peking    University， Beijing， China， 1008712  College of Technology， Peking University， Beijing，   China， 1008713  College of Archaeology， Peking University， Beijing，   China， 100871

0  引言

文物能夠反映一个民族的文化、经济、技术、科技等各个领域融合的实力，可以说是一个国家和民族的精神支柱[1]。翻尾石鱼、华表、石麒麟、梅石碑……这些明清时期留存下来的圆明园石刻文物最终在燕园安了家，早已成为燕园里最为靓丽夺目的风景。它们将昔日惊艳绝伦的“万园之园”与北大人魂牵梦绕的自由圣地紧密相连，静静诉说着一段段岁月变迁的故事。基于此，对文物开展一系列数字化研究以便保护和保存这份历史记忆就显得非常必要。基于GIS和三维激光扫描仪等现代信息技术条件建立的文物管理信息系统，形成历史建筑属性数据库，同时，建立历史建筑空间数据库，可以帮助实现永久完整存档有关文物的相关资料信息；为人类子孙后代更好地进行共享信息和知识传承，还可以通过信息化提供相关科技支撑，有助于文物快速修复处理或复原。

1  研究方法

对文物数据进行全面准确实时的数字采集传输和智能处理是推动数字化文物保护的基本前提保证和现实基础。采用高精度钢尺和水准仪量取文物平面、立面或垂直剖面特征点位置以及对应的特征线的直线距离等，进而直接利用这些几何关系绘出线性特征图，这是目前测绘领域使用到的一个主要绘图方法与手段[2]。随着科技日益发展，各种以高精度为目标的测绘新型信息科技产品不断涌现，如GPS、全站仪、测量机器人和近景摄影测量等，但仍无法满足文物全面高精度普查的需求。

三维激光扫描技术是目前最新的影像前沿技术之一，使用范围广泛。有研究利用无人机载激光雷达遥感技术测量植被结构[3]。在文物数据采集中，通过激光雷达利用主动遥感技术实时获取激光扫描产生的三维点云数据，收集文物表面结构信息[4]，与Sketch Up等软件相结合，生成文物三维空间模型。该技术不接触历史建筑表面，采样率高、精度高、体积小、防护能力强，不会对文物造成损害。

GIS（Geographic Information System）即以系统工程和信息科学作为核心理论，通过管理和分析空间地理数据来提供技术系统 [5]，主要集中应用于地形测绘[6]等领域。近年来，数字化文化遗产档案建设、数字化传播等方面的研究已成为热点，如敦煌数字化项目顺利完成了数字化保护信息系统构建[7]，但文物保护研究中如何综合高效运用各种数字化技术等方面的研究还不够深入。

GIS和三维激光扫描技术相结合建立的文物管理信息系统不仅能够完整、精确地记录文物本身的空间结构，还能记录文物周边的环境信息等属性信息；既能让用户达到身临其境的效果，也可以为后续的研究和修复提供依据，更好地担负起建立文物保护方案的任务。目前，在文物保护和管理需要实现数字化的背景下，本文综合运用GIS以及三维激光扫描技术，以此建立文物数据库和保护管理系统，并以北京大学文物管理为案例解析该数据库和管理系统构建的基本思路和流程，为其他高校和一些地区的文物保护和管理工作提供一定的参考与借鉴。

2  研究区概况

北京大学上承太学传统，是中国几千年文脉得以延续、发展且不断追求与时俱进的精神文化象征。燕园作为今日北大的主校区，有着极其深远和丰富的文化内涵和历史底蕴以及不胜枚举的历史文物。其中，共计各种石雕、石碑及石构件文物42件。

2018年12月，北京大学文物保护与管理办公室与考古文博学院联合组建了北京大学石刻文物数字化工作坊，分两期陆续对校内的华表、翻尾石鱼等共60余件重要石刻文物进行了全数字化的采集。2020年5月，初步建成线上的燕园文物数字博物馆，向全校师生开放，取得良好反馈。后期计划分批对校内现有的一些文物建筑等进行数字化资料采集并将成果更新到燕园文物数字博物馆，服务全校师生。

3  文物数据采集

文物信息数字化是指将空间和属性信息有机地结合起来。以实地考察、查询文物档案馆、搜索文献三个方法，对现有的文物属性数据进行采集和分析。主要搜集的数据属性应包括文物名称、文物年代、保护级别、保存位置、历史信息、所属类别、现状信息等，其他重要数据属性包括文本、线图和图片等。空间数据库系统包括空间栅格数据、矢量数据两部分，两者的区别主要表现在空间矢量数据是以单个地学实体为主要独立信息单元，利用点、线、面等平面几何图形要素就可以精确、定量地表达出建筑物的边界特征和其内部体元[8]。

使用三维激光扫描等现代技术对北京大学石刻文物的主要分布位置、现状环境、空间形态和结构纹理信息分别进行记录。主要可分为这几个步骤：

1）采用三维激光扫描获取数字化对象的一些基本几何信息，形成供留档的点云数据，为摄影建模提供基本控制点；

2）采用摄影建模获取数字化对象的三维纹理模型，形成供留档的三维模型数据和展示用模型数据；

3）通过处理三维纹理模型，获取数字化对象主要面的正射影像，形成下一步纹样提取的基础；

4）通过rtk测量和全景拍摄，记录文物点的地理坐标和周边环境，并结合三维纹理模型形成线上管理系统，配合相关文献和历史图片的录入，全方位记录和显示散落文物点的信息。

经过以上室外测量和室内作业工作，石刻文物的三维结构特征、属性特征和保存环境得以完整呈现，形成了燕园文物数字博物馆（http：//relics.pku.edu.cn/）。燕园文物三维模型可以面向师生全方位、交互性地展示，形成了一个开放性、共享化的虚拟交互平台。

4  文物管理信息系统的功能设计

在燕园文物数字博物馆的基础上，为进一步更加高效、精确、全面地实现各种文物信息数据的科学化管理，试图建立一套“燕园文物管理信息系统”，实现对不同类型的文物保护信息数据的收集、存储与科学管理。ArcGIS是由ESRI公司搭建的一个开发平台，内含一组可供嵌入的GIS逻辑，可用于快速构建定制应用[9]。在此平台上进行“燕园文物管理信息系统”的设计开发。应用嵌入式的ArcGIS组件构成整个嵌入式软件系统，可以用来支撑专业统计数据输出、查询分析等的功能。系统功能框架如图1所示。

4.1  文物多元展示

这是系统实现的最基本的可视化功能。在该系统中，可以通过利用对燕园的三维模型管理以及可视化等一系列技术手段，为校内师生和各类专家提供新的研究平台和观摩途径。文物单位的地理位置和平面结构信息能够更直接反映给使用者，提高师生的文物保护意识和文化自信。

4.2  信息综合查询

利用数据库管理功能实现文物的基本信息查询。除了基本的“关键词查询”和“高级查询”功能之外，用户往往需要筛查空间位置，然后再查看属性及其他信息。在手机移动版平台应用地图框选查询功能可以給文物保护管理人员的日常工作带来更多便利，促进文物保护工作有效开展。

4.3  空间统计分析

文物信息数据的统计分析具有十分广泛的作用，工作人员可以将各种文物的保护级别、保护类别、保护区、文物年代等统计项作为重点筛选依据并统计。统计结果通常是以列表和统计图的方式呈现，即文物部分与整体之间的数量关系、各种文物数量的数目、文物数据的变化趋势等情况能够更直观地呈现。这些功能对文物保护与管理办公室进行燕园文物的下一步规划和科学保护具有辅助作用。

4.4  文物现状评估

通过历史文献资料和实时空间数据的比较分析，研究燕园文物发展轨迹，对现状进行评估，对文物历史价值、文化价值、艺术价值等作出剖析并区别分类，分析和研究文物的历史与现实的环境变化，从而有针对性地提出不同文物保护的具体方案并深入地对其进行安全监测。

4.5  文物复原修复

通过文物管理信息系统提供的数字虚拟环境，根据空间和属性数据库，对已经破损的或者是在细部出现残缺变形的文物进行修复和保存。将文物的主要属性信息与采集的历史数据二者相结合，对文物要素进行科学比较和系统专业分析，构建文物的复原评价系统，对一些细部和外部残缺或已经受到破坏的重要文物进行科学复原修复。

5  结束语

三维激光扫描技术具有得天独厚的优势，可以利用非接触式测量方法，在不损害文物的情况下，对数据进行收集，满足文物保护的核心诉求。将GIS技术结合三维激光扫描技术用在文物保护工作中，可以巧妙地将二者的优势结合起来。一方面，三维激光扫描技术在采集数据时具有准确度较高的优势；另一方面，GIS技术在处理数据时具有精确、快捷的优势，将此技术融合应用于“燕园数字化博物馆”和“燕园文物管理信息系统”中，从而实现燕园文物数据直观、多元化的展示和综合、高效率管理，提升文物的信息管理水平，将燕园文物保护推向真正的智慧化管理阶段。

6  参考文献

[1] 宗立成.文物三維数字化设计及其实验方法研究[J].文物保护与考古科学，2018，30（2）：127-132.

[2] 王晏民，郭明，王国利，等.利用激光雷达技术制作古建筑正射影像图[J].北京建筑工程学院学报，2006，22（4）：19-22.

[3] 解宇阳，王彬，姚扬，等.基于无人机激光雷达遥感的亚热带常绿阔叶林群落垂直结构分析[J].生态学报，2020，40（3）：940-951.

[4] Du Jia Chong， Teng HungChao. 3D laser scanning andGPS technology for landslide earthwork volume estimation[J].August 2007Automation in Constru-ction，2007，16（5）：657-663.

[5] 乔涛，李晓勇.采用MAPGIS进行地层三维可视化的应用[J].工程勘察，2008（S1）：279-282.

[6] 杨一洋.GIS技术在地形地籍测绘中的运用分析[J].中国金属通报，2020（5）：144，146.

[7] 陈振旺，樊锦诗.文化科技融合在文化遗产保护中的运用：以敦煌莫高窟数字化为例[J].敦煌研究，2016（2）：100-107.

[8] 郭甲腾，吴立新.栅格空间中三维地学实体拓扑关系表达的K6N9-I模型[J].地理与地理信息科学，2008，24（1）：6-9.

[9] 朱凌.ArcGIS9的特点及其ArcObjectsControls版的使用体会[J].北京测绘，2004（1）：16-18.